Diamant mit Quanten-Langzeitgedächtnis

Absolut betrugssichere Kreditkarten und nicht fälschbare Ausweise: die Quantenphysik könnte beides möglich machen. Denn der quantenmechanische Zustand eines Teilchens, beispielsweise eines Atomkerns, lässt sich weder kopieren noch ohne Zusatzinfomationen, über die nur autorisierte Nutzer möglicher Karten verfügen, fehlerfrei auslesen. Enthielte eine Kreditkarte einen Quanten-Speicher, wäre sie also vor Missbrauch sicher. Zwar haben Physiker längst Methoden entwickelt, Quantenzustände in verschiedenartige Speicher zu schreiben und daraus auszulesen. Doch entweder funktionieren diese Verfahren nur knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt – was eine Nutzung im Alltag ausschließt – oder die gespeicherte Quanteninformation geht nach wenigen Millisekunden verloren. Einen Quantenzustand in einem Diamantkristall für mehr als eine Sekunde bei Raumtemperatur zu speichern, gelang nun Forschern der Harvard University in Cambridge bei Boston, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching und des Caltech in Pasadena. Die Forscher halten sogar eine Speicherdauer von eineinhalb Tagen für möglich, indem sie ihr Verfahren verbessern.

Physiker verwenden unterschiedliche physikalische Systeme, um Qubits – die kleinste quantenmechanische Informationseinheit, eine Überlagerung aus zwei Zuständen – zu speichern. Dazu gehören auch Atome, die ähnlich wie Eier in einem Eierkarton in einem Gitter aus gekreuzten Laserstrahlen liegen, oder Atomkerne in einem Festkörper. Ein Quantenspeicher aus mehreren Qubits könnte einmal zur fälschungssicheren Speicherung genutzt werden, weil es das so genannte No-Cloning-Theorem der Quantenphysik verbietet, einen Quantenzustand zu kopieren. Darüber hinaus kann nur jemand den Inhalt auslesen, der die Parameter kennt, unter denen der Speicher beschrieben worden ist, etwa die Polarisationsrichtung von Lichtsignalen.

Doch der Umsetzung in die Praxis steht eine schwer zu nehmende Hürde entgegen. Ein Quantenspeicher muss zwei gegensätzliche Kriterien erfüllen: einerseits muss er von der Umwelt so gut wie möglich isoliert werden, damit die gespeicherten Qubits nicht durch äußere Magnetfelder, Lichtteilchen oder ähnlichen Umwelt-Einflüssen zerstört werden. Andererseits muss er aber Informationen mit ebendieser Umwelt austauschen können, sonst ist es nicht möglich, Information in den Speicher zu schreiben und aus ihm auszulesen. Die Qubits komplett zu isolieren, ist also nicht zielführend.

Die internationale Gruppe aus Forschern hat es nun geschafft, die widerstreitenden Faktoren soweit zu versöhnen, dass ein Qubit in einem künstlichen Diamantkristall selbst bei Raumtemperatur mehr als eine Sekunde lang stabil bleibt. Zuvor blieben diese Art von Qubits nur wenige Tausendstel Sekunden erhalten. „Wir haben diese Verbesserung um fast das Tausendfache mit einem relativ geringen experimentellen Aufwand erreicht“, sagt David Hunger vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Die Forscher benötigten im Wesentlichen einen grünen Laser, schnell schaltbare Quellen für Mikrowellen und Radiofrequenzen und einen hochempfindlichen Detektor, der in der Lage ist einzelne Lichtteilchen nachzuweisen.

Als Qubit verwendeten sie den Atomkern eines Kohlenstoffatoms, genauer gesagt des Kohlenstoff-Isotops C-13. Der C-13-Kernspin kann sich bezüglich eines von außen angelegten Magnetfeldes parallel oder antiparallel ausrichten. Diese beiden Zustände bilden die „0“ und die „1“ des Qubits. Der Informationsaustausch zwischen diesem Qubit und der Umwelt erfolgte indirekt: Die Forscher haben den Diamanten so gezüchtet, dass er neben winzigen Spuren des Isotops C-13 auch ein bisschen Stickstoff enthält und dass manche Stickstoffatome in der Nähe eines C-13-Atoms sitzen. In direkter Umgebung des Stickstoffatoms fehlt zudem ein Kohlenstoffatom und bildet ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, kurz N-V-Zentrum. Auch das N-V-Zentrum besitzt einen Spin und bildet daher ein Qubit. Letzteres lässt sich mithilfe von Mikrowellen- und Laser-Pulsen leicht in einen definierten quantenmechanischen Zustand bringen. Außerdem kann die Information, die es trägt, leicht mit einem Laserstahl ausgelesen werden.

„Man kann sozusagen leicht mit dem N-V-Zentrum sprechen, es dient uns daher als Hilfs-Qubit“, sagt Hunger. Das N-V-Zentrum wiederum wechselwirkt mit dem Kernspin des Kohlenstoff-Atoms. Durch definierte Folgen von Laser-, Mikrowellen- und Radiowellen-Pulsen lässt sich der Quanten-Zustand des Kohlenstoff-Atomkerns indirekt kontrollieren und somit das Qubit einlesen. Auf ähnliche Weise lässt es sich auch über das N-V-Zentrum auslesen.

Das Kohlenstoffatom und nicht das N-V-Zentrum wählten die Forscher als eigentlichen Speicherort, weil sein Atomkern ein vergleichsweise kleines magnetisches Moment besitzt und daher weniger empfindlich auf Umwelteinflüsse reagiert als das N-V-Zentrum. C-13-Kerne können Quanten-Informationen also potenziell länger behalten.

Allerdings bewirkt die Kopplung an das N-V-Zentrum, die für das Schreiben und Auslesen hilfreich ist, gleichzeitig, dass das Qubit im C-13-Atomkern seine Information innerhalb weniger Tausendstel Sekunden verliert. Das liegt daran, dass nach dem Einlesen das sich selbst überlassene magnetische Moment des N-V-Zentrums unkontrolliert hin- und herspringt und so das benachbarte C-13-Qubit stört. Auf ähnliche Weise beeinflussen die magnetischen Momente anderer C-13-Kerne im Diamantkristall den magnetischen Zustand des C-13-Qubits.

Diese beiden Störeinflüsse lassen sich jedoch deutlich reduzieren, wie die Forscher bewiesen. Den Effekt des N-V-Zentrums unterdrückten sie mit einem grünen Laserstrahl. Dieser zwingt das N-V-Zentrum in einen der beiden magnetischen Zustände und unterbindet die natürliche Fluktuation des magnetischen Moments. Allerdings schleudert der Laser dabei zeitweise ein Elektron des N-V-Zentrums heraus, das kurz darauf wieder von diesem eingefangen wird. Das Zentrum wird also dauernd ionisiert und gleich wieder deionisiert. Damit verbunden ist wieder ein Hin- und Herspringen des magnetischen Moments.

Indem die Physiker die Laserleistung auf zehn Milliwatt erhöhten, sorgten sie jedoch dafür, dass das magnetische Moment viel schneller seine Richtung wechselt als bei der ursprünglichen Fluktuation. Daher „spürte“ das Qubit im C-13-Atomkern keine unterschiedlichen Magnetfelder mehr, sondern einen zeitlich konstanten Durchschnittswert. Das bedeutete, die Fluktuation war ausgeschaltet. Dieses Verfahren erhöhte die Lebensdauer des Qubits auf etwa eine halbe Sekunde.

Den Störfaktor der anderen C-13-Atome minimierten die Wissenschaftler durch zwei Tricks: Erstens beschränkten sie den Anteil des Kohlenstoffisotops C-13 in ihrem künstlichen Diamanten auf ein Hundertstel Prozent, während natürliche Diamanten etwa ein Prozent der schwereren Kohlenstoff-Variante enthalten. So befinden sich die nächsten magnetischen C-13-Atomkerne im künstlichen Diamanten weiter voneinander entfernt und stören sich entsprechend weniger. Der zweite Trick bestand darin, dass die Forscher mit geschickt gewählten Radiofrequenz-Pulsen die Einflüsse der verbleibenden 13-C-Atomkerne auf das Qubit neutralisierten. Beide Maßnahmen erhöhten die Lebensdauer des Qubits auf etwa 1,4 Sekunden.

„Laut Theorie lässt sich die Lebensdauer des Qubits auf maximal 36 Stunden erhöhen“, sagt David Hunger. „Die momentanen Limitierungen lassen sich prinzipiell mit verbesserter Technik weiter zurückdrängen.“ Beispielsweise durch eine höhere Leistung des grünen Lasers, was allerdings eine Kühlung des Diamanten nötig machen würde. Desweiteren könnten weiter optimierte Sequenzen der Kontroll-Pulse, sowie eine weitere Senkung der C-13-Konzentration die Lebensdauer erhöhen.

CM/PH/MPG / PH